에너지방출량

정지질량(rest mass)정지질량(rest mass) 종종 류류 기기 호호 전전 하하

무무 게게(kg)(kg) 에너지에너지((MeVMeV)) 938.2

939.6

0.511

양성자 p +1

중성자

중성자 n 0

전

자 e -1

1 eV (Electron Volt) : e의 전하를 지닌 전자를 1V의 전위차로 가속하였을 때 전자가 얻는 운동에너지

1eV = 전하(e) × 1V

= 1.6×10^-19 C × 1V

= 1.6×10^-19 J

+

- ^e

1V

1eV 100eV

100V

e

A

Z ^A X

Z X

질량수

원자번호

원자번호(Z) = 양성자수

질량수(A) = 양성자수(Z) + 중성자수(N)

구

구

분

Z

N

A

예

동위체 (isotope) (isotope) =

동중체

동중체

(isobar)

동중성자체

동중성자체

(

(

isotone

)

핵이성체

(isomer)

Fission Reaction (핵분열반응)

핵분열 에너지

+ + +

+ + +

+ + +

+ + + +

Fission Fragment

Fission Fragment

중성자(n) Neutron

중성자(n) Neutron

+ + + +

+ + + + + + + +

+ + +

235U

+ +

+ +

+ +

무거운 원자핵이 2개 이상의 가벼운 원자핵으로 분열하는 핵반응

™핵분열성 물질 (Fissile Materials)

9 열 중성자와 충돌하여 핵분열 반응을 일으킬 수 있는 물질

9 U-233, U-235, Pu-239, Pu-241

™핵원료성 물질 (Fertile Materials)

9 열 중성자를 흡수하여 핵분열성 물질로 전환되는 물질 9 Th-232, U-238

™ Fast Neutron (고속 중성자) : > 100 keV

™ Intermediate Neutron (중성중성자) : 1 ~ 100 keV

™ Thermal Neutron (열중성자) : < 1keV

Capture

Fission Fast Neutron

Thermal Neutron

Capturing vs Fission

우라늄235 (0.7%)

우라늄238

(99.3%) 우라늄235 (95% 이상)

고농축우라늄

중성자 우라늄 238 (5% 이하) 우라늄 238

우라늄 235 (2-4%)

저농축우라늄 중성자

제어봉

원자폭탄

화약 천연우라늄

Nuclear Power Plant or Nuclear Weapon

Fusion Reaction (핵융합반응)

Two light nuclei combine to form a heavier nucleus.

Solar energy originates as fusion energy in the sun’s interior.

Hydrogen Isotopes

Hydrogen

1

H

Deuterium

1

H

Tritium

1

H

) n(

) He(

) T(

) n(

Li(

) He(

) T(

) n(

Li(

) p(

) He(

)

He(

D(

) n(

) He(

D(

D(

p(

) T(

) D(

D(

n(

) He(

) T(

D(

4 7

4 6

4 3

3 4

중성자 헬륨

삼중수소 중성자

리튬)

헬륨 삼중수소

중성자 리튬)

양성자 헬륨

헬륨 중수소)

중성자 헬륨

중수소) 중수소)

양성자) 삼중수소

중수소 중수소)

중성자) 헬륨

삼중수소 중수소)

+ +

⇒ +

+

⇒ +

+

⇒ +

+

⇒ +

+

⇒ +

+

⇒

+

원자량

에너지방출량

D

3He T

Li 우라늄 U

D : 중수소(Deuterium) T : 삼중수소(Tritium) Li : 리 튬 (Lithium) U : 우라늄(Uranium) He : 헬륨3 (Helium-3)

3

He : 헬륨4 (Helium-4)

4

4He

핵분열 (FISSION) 핵융합

(FUSION)

핵융합반응에 의한 에너지 방출

핵분열반응에 의한 에너지 방출

Fission vs Fusion

Hydrogen bomb uses a fission bomb as a

trigger to initiate fusion.

α-Decay

226

→

88

Ra

Rn + He

# protons

# nucleons 234

235 236

237 238

238U

234Th 92

91 90

144 145 146

# protons

# neutrons

# nucleons 234

235 236

237 238

α-decay

™ Emission of an a-particle or ₂He⁴ nucleus

™ 원자번호 2감소, 질량수 4감소

™Big and Positive charge

™Easily stopped by paper (not penetrating)

™Nuclei heavier than ²⁰⁹Bi

β^-

-Decay

™ Emission of an electron (and an antineutrino) during conversion of a neutron into a proton

™ 원자번호 1증가, 질량수 불변

# p ro to n s

# nu cl eo ns 86

87 88

87

Rb

87

Sr 38

37

49 50

# p ro to n s

# neutrons

# nu cl eo ns 86

87 88

β-decay

n

⇒

p + e

+

ν

Decay mode of nuclei with excess neutrons

β⁺

-Decay

™ Emission of an positron during conversion of a proton into a neutron

™ 원자번호 1감소, 질량수 불변

# p ro to n s

# nu cle on s 39 40 41

40

Ar

40

K 19

18

21 22

# p ro to n s

# neutrons

# nu cle on s 39 40 41

p

p

⇒

n + e

+

ν

Decay modes of nuclei with excess protons

™Small

™Negatively or Positively charged

™Can be stopped by aluminium foil

U α

238 92

234

90

Th

Atomic number goes down by 2

Th

234 90

β

91

Pa

Co

60

27

^γ

Co

전자포획(EC; Electron Capture)

™ 중성자 부족형 원자핵, 주로 K각 전자와 반응

자

™ p + e^- ⇒ n + ν⁺

™원자번호 : 1 감소, 질량수 : 불변

™ β⁺-붕괴와 경합적으로 발생

γ-Ray

™™방 사 붕 괴 는

방 사 붕 괴 는

아 니 지 만

에 너 지 가

높 은

원 자 핵 이

감마선을

방출하고

안정된

에너지

상태로

가는

현상

™™ 원자번호

원자번호

질량수

불변

™Very small (no mass)

™No charge

™Impossible to stop

alpha α beta β gamma γ

paper aluminium lead

Radioactivity (방사능)

™Spontaneous transformation by emitting radiations which release energy.

™방사성핵종이 단위시간내에 몇 번 붕괴(Decay)를 일으키는 가를 나타낸 것

Unit : 단위시간당 붕괴하는 원자수

™ Bq (Bequerel) : 매초 1개의 붕괴수

™Ci (Curie) : 1g의 Ra-226의 방사능량을 기준, 3.7X10¹⁰ 개/초

1 Ci = 3.7X10

Bq

™α-decay

™ β-decay

™positron emission

™electron capture

α

alpha

β

beta

γ

gamma

Fundamental law of radioactive decay

™Each nucleus has a fixed probability of decaying per unit time. Nothing affects this probability (e.g., temperature, pressure, bonding environment, etc.)

™This is equivalent to saying that averaged over a large enough number of atoms the number of

decays per unit time is proportional to the number of atoms present.

dN

dt = − λ N N t ( ) = N _o e ^{− λ t}

™ N = number of parent nuclei at time t

™

λ = decay constant = probability of decay

λ

2 ln

2 /

1

=

T λ

2 ln

2 /

1

=

T

: 붕괴상수

λ λ

Long half life

Short half life

T

T’

불안정한원자핵의수

137-Cs : T_1/2=30 years 60-Co : T_1/2=5.26 years 32-P : T_1/2=14.3 days

Radioactivity & Half-Life

The mean life τ

τ = N

λ N = 1

λ

Radioactivity (Examples)

™ ²³⁸U 1g의 방사능(T_1/2=4.51×10⁹ yr)?

™현재 100 mCi의 방사성물질(T_1/2=8d)이 32일 지났을 때 방사능은?

™현재 235 MBq인 ⁶⁰Co 가 100 MBq로 되는 시점은 (T_1/2=5.26yr)?

Decay chain systematics

N ₁

^λ

₂

^λ

₃

™Parent N₁ decays to N₂.

™ Intermediate daughter N₂ decays to N₃.

™Terminal daughter N₃ is stable.

β

27.7 yr

Parent Daughter 1

90

Sr

λ

, N

90

Y

λ

, N

β

64 hr

90

Zr

λ

, N

Daughter 2

dN ₁

dt = − λ ₁ N ₁ dN ₂

dt = λ ₁ N ₁ − λ ₂ N ₂ dN ₃

dt = λ ₂ N ₂

dN ₁

dt = − λ ₁ N ₁ dN ₂

dt = λ ₁ N ₁ − λ ₂ N ₂ dN ₃

dt = λ ₂ N ₂

N ₁ ( ) t = N ₁ ^o e ^{− λ 1 t dN 2}

dt = λ ₁ N ₁ ^o e ^{− λ 1 t} − λ ₂ N ₂

1 10 - tλ1 -λ2t 2

2 1

(t) = λ N ( e - e )

N λ λ -

N ₃ (t) = N ₁ ^o 1 + 1

λ ₂ − λ ₁ ( λ ₁ e ^{− λ 2 t} − λ ₂ e ^{− λ 1 t} )

⎛

⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟ +

≫ ≪

1 2 ( 1 2 )

T T λ λ

Time Activity

A₁(0)

A

(t)

A

(t)=A

(t)

~7T_d

A

(t)=A

e

1 > 2 ( 1 < 2 )

T T λ λ

Time Activity

A₁(0)

A

(t)

A

(t) > A

(t) 면서

A

(t)=A

e

Control Rod (제어봉) Coolant

(냉각재)

Nuclear Power Plant

Reflector (반사체)

Nuclear Fuel (핵연료)

Moderator (감속재)

Nuclear Fuel (핵연료)

UO

99.3%U238 3% U235,

97%U238

™중성자가 U-235와 만나서 핵분열을 잘 일으킬 수 있도록 중성자의 속도를 낮춤

™재질 : 경수, 흑연, 중수, 베릴륨 등

Moderator(감속재)

Coolant (냉각재)

™ 핵연료봉 주위를 흐름

™ 핵연료에서 생성된 뜨거운 열을 흡수

™ 뜨거워진 냉각재로써 터어빈 구동에 필요한 증기를 생산

™ 재질 : 경수, 중수, 탄산가스 등

Control Rod (제어봉)

™중성자의 수를 조정하여 핵분열을 조절

™중성자를 흡수하는 물질로 만들어 졌음

™재질 : 붕소(B), 카드뮴(Cd), 인듐(IN), 은(Ag), 가돌리늄 (Gd)

Reactor Types

™Boiling Water Reactors (BWR, 비등경수로)

™Pressurized Water Reactor (PWR, 가압경수로)

™Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR, 가압중수로)

™Gas Cooled Reactors (GCR, 가스냉각로)

™Light Water Graphite Reactor (LWGR, 흑연경수로)

“냉각제와 감속제의 종류에 의해 분류”

Boiling Water Reactors (BWR, 비등경수로)

Pressurized Water Reactor (PWR, 가압경수로)

Fuel Reprocessing (사용후 연료 재처리)

원자로 종류와 발전원리

플루토늄 감속재

원자로

Pu239비율 95%이상

흑연감속로

Pu239비율 95%

중수 (D₂O) 중수로

Pu239비율 60~70%

경수 (H₂O) 경수로

1956.3 북-소 원자력

협정 체결

1962.1

북한 소형연구용 원자로 IRT-2000 착공(소련의 지원)

1974.9 북한,IAEA 가입

1985.12.12 북한, NPT가입

(소련의 권유)

1987. 2 북한, 제2원자

로 시험 가동 성공(핵개발

적극 추진)

1992. 1. 30 북한, 소련의

권유로 IAEA 와 핵안전조치

협정 서명

1992. 5. 4 북한, 최초보

고서 IAEA에 제출

5.23~ 6. 5 IAEA, 북한 사찰 실시

12. 12 IAEA, 핵폐기 물 보관시설로

의심되는 2곳 사찰요구

북한 핵문제 관련 경과일지

1993. 2. 10 IAEA 사무총장, 북한 미신고2곳 시설에 대한 특별 사찰수용 촉구

1993. 2. 15

북한, 미신고시설 에 대한 특별사찰 거부의사 표명

1993. 3. 12

북한, NPT 탈퇴 선언 (국제적 관심사)

1993. 6.2~6.11 미국-북한 뉴욕에서 첫번째 고위급회담 개최 북한, NPT 탈퇴 잠정유보

1993. 7.14~ 7.19 미-북 스위스 제네바 에서 2차 고위급회담 북한의 흑연 감속로를 경수로로 대체 논의

1994. 2. 25

미-북간 북 핵사찰 합 의 및 IAEA에 의한 사찰 실시(북한 재처리시설 에 대한 사찰 거부)

1994. 6. 6~6.

10

IAEA 정기 이사회 개최 및 대북제재 결의안 채택

1994. 6. 13 북한, IAEA 공식 탈퇴 선언(제재는 선전포고로 간주)

1994. 6. 15~6. 18 카터 전 미대통령 북 한 방문(북한 핵 활동 동결 및 완전한 핵 투 명성 보장용의 표명)

1994. 10 .21 제네바 미-북 기본합의문 체결

1994. 11. 1 북한, 핵 활동 동결 선언

1995. 3 .9

한반도에너지개발기구 (KEDO)설립

1995. 12 .15

KEDO-북한간 경수 로 공급협정 체결

1998 .8 .10 TIME지(8.17)에 북한의 금창리 지 하시설에 대한 핵 의혹 제기

1999. 5. 18~5. 24

미국, 금창리 방문단 현장 방문 (거대한 복합터널로 구성된 핵과 무관한 시설 로 판명)

2000. 2. 2

북한, 대북 경수로 지연에 따른 제네바 합의 파기 가능성 경고

2000. 2. 3 대북지원 경수 로 본공사 시작

2000. 3. 3

북한, 미국에 제네바 기본합의문 이행 관련 전력손실 대안 요구

94 북미 제네바 합의

1. 흑연감속로를 경수로로 대체

™ 2기의 경수로 발전 제공

™ 경수로 완공시 흑연 감속로 해체

™ 경수로 완공시까지 중유 지원

2. 북미간 정치 및 경제 관계의 완전 정상화

™ 무역 및 경제 장벽 완화

3. 한반도의 비핵화와 평화, 안보를 위한 공동노력

™ 북한에 핵무기 사용 및 위협 금지 4. 핵확산금지조약(NPT)체제 강화

™ 북한의 NPT 잔류

™ 핵시설에 대한 IAEA 사찰 허용

2002. 3. 20

미국, 북한의 제네바 기본합의 이행여부 인 증 유보 발표(대북 중 유 제공, 제네바 합의 계속이행의지 표명)

2002. 8. 13

북한, 미국의 핵시설 사찰 허용 요구 거부, 제네바합 의 파기 가능성 경고 및 경 수로 건설 지연에 따른 전 력 손실 보상 촉구

2002.10. 3~10. 5 북한, 비밀 핵 프로 그램 존재시인함으 로써 핵문제 촉발

2002. 11. 15 KEDO 집행이사

회 ’02년 12월분부터 대북 중유공급중단 결정 및 KEDO활동 재검토

2002. 12. 12

북한, 핵시설 가동, 건설 재개 선언(핵 동결 해제선언)

2002. 12. 24

북한, 모든 핵시설 봉인 제거

2002. 12. 31

북한의 핵활동을 감시 하기 위해 파견된 IAEA 사찰관 2명 철수

(대북 핵활동 감시체제 사실상 무력화)

2003. 1. 10

북한, 핵확산금지조 약(NPT)에서 탈퇴한 다는 정부 성명 발표

2003. 1. 30 2003. 1. 30 미뉴욕타임즈

미뉴욕타임즈, , 미국미국 정정 찰위성들이

찰위성들이 북한북한 영변영변 에서에서 핵연료봉핵연료봉 8천개를8천개를 이동시키는것으로

이동시키는것으로 보보 이는이는 트럭들을트럭들을 포착했포착했 다고다고 보도보도

2003. 2. 9

콜린 파월 미 국무장관, 미국 은 북한이 핵개발 중단을 약 속한 제네바합의를 폐기한 만큼 현재의 북핵 사태를 해 결하기 위해 과거와 같은 제 네바식 타결 방식으로 회귀 하지 않을 것이라 언급

2003. 2. 5

도널드 럼즈펠드 미 국 방장관, 북한은 현재 1~2개의 핵무기를 보 유하고 있는 것으로 평 가, 단기간에 6~8기의 핵병기 제조할 수 있다 고 언급

2003. 4. 18

북한, “8천여개의 폐 연료봉들에 대한 재 처리 작업이 마지막 단계에서 성과적으로 진행되고 있다”고 발 표

2003. 5. 14

한-미 정상회담 개최,

‘북핵 문제의 평화적 해결’ 원칙 재확인 및 한반도에서의 평화와 안정에 대한 위협이 증대 될 경우, 추가적 조치 검토에 유의

2003 .5. 23

미-일 정상회담 개 최, 북한이 핵문제 로 한반도 긴장을 고조시키는 경우 더 강경한 조치를 취하 기로 합의

2003. 5. 27

중-러 정상회담 개최, 북한 핵문제 해소를 위 해 무력을 사용해서는 안된다고 경고 및 북한 에 대해 핵무기 프로그 램 폐기를 촉구하는 공 동성명 발표

2003. 6. 2

5.30~6.1간 방북한 커트 웰튼 미 하원의 원,”북한 외무성과 외무성 부상이 북한 은 현재 핵무기를 보 유하고 있으며, 폐연 료봉 8000개의 핵처 리가 완료단계에 있 다고 시인” 언급

2003. 7. 8

북한, 뉴욕에서 미국과의 비공식 접촉을 통해 “8000 개의 폐연료봉 재처리를 6 월 30일 완료했으며 이를 핵 억지력 확보를 위해 사 용할 수 밖에 없다”고 통보

2003. 8. 1

북한, “3자회담을 거치 지말고 직방 6자회담을 개최하며 여기에서 약 자회담을 여는 방안을 협의중에 있다”고 발표

2003. 8. 4

북한, 북핵 6자회 담 9월초 베이징에 서 개최 발표

2003. 8. 27~29 베이징 6자회담 개최

2005. 9.

베이징 합의문

Atomic Waste (원전수거물, 방사성폐기물)

™ 사용후 연료

™ 고준위성 폐기물 : 연료의 재처리 과정에서 나오는 폐기물

™중저준위성 폐기물

중·저준위 방사성 수거물 2008년 포화

사용 후 연료 수거물 2016년 포화

사용후 연료 처리 (중간저장)

습식저장 건식저장 (월성)

중저준위성 폐기물 처리

Trend of Power Generation

Hydro Coal

Combined Cycle Internal

Combustion Nuclear

발전원별 연료 소모량 비교 (100만 kW급 발전소를 일 년간 가동시)

우라늄 LNG 석유 유연탄

30톤 110만톤 150만톤 220만톤

™ 가장 중요한 전력 공급원

– 우리나라 전력의 약 40%를 원자력이 차지 – 에너지 안보에 기여

™ 국민 복지 향상에 기여

– 질병 검진 (X-ray 등), 암의 진단, 치료

™ 국가 산업 발전 및 과학기술 발전에 기여

– 농업, 공업, 식품 등의 분야에 널리 이용 – 원자력은 종합과학 기술

™ 원자력은 매우 환경 친화적

– 폐기물량이 매우 적음 (원전 1기당 약 50 m

) – 온실가스인 CO

의 발생이 거의 없음

™ 국가 경제에 기여하는 원자력

– 석유 등 에너지 자원 수입 억제로 막대한 외화 절감

™ 원자력은 남북 화해에 기여

– 북한에 원자력발전소 2기 건설 (현재 잠정 중단)

원자력

평화적 이용

군사적 이용

원 자 력

발전/비발전

해수담수화

열 원

RI 전 지 동 력 원

수소생산 쇄빙선

우주선

심해탐사선 등

방사선 및 RI

의료, 식품, 생명공학 산업, 농업 등

원자폭탄

핵폭탄

얼굴 1 대형선박

얼굴 2

잠 수 함

동력원

전력생산

중성자탄